基于SCADA的自耦變壓器公共繞組過負(fù)荷保護(hù)

竇姿麟，姜百超

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110179)

基于SCADA的自耦變壓器公共繞組過負(fù)荷保護(hù)

竇姿麟1，姜百超2

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110179)

提出了一種基于SCADA的算式，用于自耦變壓器公共繞組過負(fù)荷的在線實(shí)時(shí)計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，為公共繞組不具備電流互感器的自耦變壓器過負(fù)荷保護(hù)提供了工程解決方案。

自耦變壓器；公共繞組；過負(fù)荷保護(hù)

目前國(guó)內(nèi)500 kV變電站的主變壓器廣泛采用的是自耦變壓器，其中以單相自耦變壓器居多，三相一體的自耦變壓器應(yīng)用數(shù)量相對(duì)較少。根據(jù)規(guī)程[1]要求，自耦變壓器應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)，過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)能反映公共繞組及各側(cè)過負(fù)荷的情況。然而工程中發(fā)現(xiàn)，很多國(guó)外進(jìn)口的三相一體式自耦變壓器沒有將公共繞組套管分相引出，而是在主變壓器內(nèi)部將公共繞組三相并聯(lián)后以零序套管的形式引出。已運(yùn)行的主變壓器保護(hù)裝置采用相量合成的方式實(shí)現(xiàn)公共繞組過負(fù)荷保護(hù)功能，而2008年國(guó)家電網(wǎng)公司推行《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》后，標(biāo)準(zhǔn)化主變壓器保護(hù)裝置已不具備通過各側(cè)電流值間接計(jì)算公共繞組過負(fù)荷電流的功能。對(duì)于未將公共繞組套管分相引出的自耦變壓器保護(hù)更換工程，如何實(shí)現(xiàn)變壓器公共繞組過負(fù)荷保護(hù)功能成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。本文因此提出一種基于SCADA實(shí)現(xiàn)變壓器公共繞組過負(fù)荷保護(hù)功能的技術(shù)方法。

1 自耦變壓器公共繞組負(fù)荷分析

自耦變壓器與普通變壓器的主要區(qū)別在于普通變壓器的一、二次繞組中只有磁的耦合，而在自耦變壓器中，高、中壓繞組間尚存在著直接的電氣聯(lián)系。三繞組自耦變壓器原理接線圖如圖1所示。

圖1 三繞組自耦變壓器原理接線圖

圖1中，U1、U2、U3分別為高、中、低壓側(cè)相電壓，I1、I2、I3分別為高、中、低壓側(cè)相電流。

自耦變壓器的電磁變換容量(本身容量)與額定容量(通過容量)之比，稱為自耦變壓器的效益系數(shù)Kx，即

(1)

式中:K12為自耦變壓器高、中壓側(cè)電壓比。

由于不同電壓側(cè)的負(fù)荷有不同的組合方式，自耦變壓器也會(huì)出現(xiàn)各種不同的運(yùn)行方式，常見的運(yùn)行方式如下。

方式1:潮流方向?yàn)楦邏簜?cè)至中壓側(cè)，或由中壓側(cè)至高壓側(cè)。

方式2:潮流方向?yàn)楦邏簜?cè)至低壓側(cè)，或由低壓側(cè)至高壓側(cè)。

方式3:潮流方向?yàn)橹袎簜?cè)至低壓側(cè)，或由低壓側(cè)至中壓側(cè)。

方式4:潮流方向?yàn)楦邏簜?cè)至中、低壓側(cè)，或由中、低壓側(cè)至高壓側(cè)。

方式5:潮流方向?yàn)楦摺⒌蛪簜?cè)至中壓側(cè)，或由中壓側(cè)至高、低壓側(cè)。

方式1下，對(duì)于降壓自耦變壓器來說，傳輸容量最大，可達(dá)變壓器的額定容量；對(duì)于升壓自耦變壓器來說，因其低壓繞組布置在高、中壓繞組之間，當(dāng)?shù)蛪豪@組停止運(yùn)行時(shí)，由于高、中壓繞組之間漏磁增加而引起大量附加損耗，此時(shí)，高、中壓繞組的互通容量要小于額定容量，對(duì)于大容量自耦變壓器，其最大傳輸容量可能要限制到額定容量的70%～80%。

方式2、3下，自耦變壓器最大傳輸功率均不得超過自耦變壓器低壓繞組的容量，通過自耦變壓器低壓繞組的容量不能超過其電磁容量，即自耦變壓器額定容量的Kx倍，因?yàn)樽择钭儔浩鞯蛪豪@組一般是按等于或小于電磁容量設(shè)計(jì)的。

方式4下，高壓側(cè)同時(shí)向中、低壓側(cè)送有功和滯后無功，即使高壓側(cè)達(dá)到額定功率，公共繞組也不會(huì)過負(fù)荷；中、低壓側(cè)同時(shí)向高壓側(cè)送有功和滯后無功，即使中壓側(cè)達(dá)到額定功率，公共繞組也不會(huì)過負(fù)荷[2]。在該運(yùn)行方式下自耦變壓器各電壓側(cè)通過的容量為

(2)

式中：s2、s3分別為功率由高壓側(cè)傳輸至中、低壓側(cè)或由中、低壓側(cè)傳輸至高壓側(cè)的容量百分?jǐn)?shù)(以自耦變壓器的額定容量SN為基礎(chǔ))。

方式5下，自耦變壓器的公共繞組往往先滿載(公共繞組容量等于電磁變換容量)，使高、低壓側(cè)容量不能充分利用，本文重點(diǎn)討論該運(yùn)行方式下自耦變壓器的公共繞組過負(fù)荷保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方案，在該運(yùn)行方式下自耦變壓器各電壓側(cè)通過的容量為[3-6]

(3)

式中:s1、s3分別為功率由高、低壓側(cè)傳輸至中壓側(cè)或由中壓側(cè)傳輸至高、低壓側(cè)的容量百分?jǐn)?shù)(以自耦變壓器的額定容量SN為基礎(chǔ))。

對(duì)式(3)進(jìn)行變換，得到公共繞組容量Scom的表達(dá)式[5]：

(4)

式中:S1、S3分別為功率由高、低壓側(cè)傳輸至中壓側(cè)或由中壓側(cè)傳輸至高、低壓側(cè)的實(shí)際功率值。

對(duì)式(4)進(jìn)行三角函數(shù)和差化積運(yùn)算，得到以有功功率P和無功功率Q為變量的函數(shù)式

(5)

以遼陽500 kV變電站2號(hào)主變壓器為例，分析公共繞組的過負(fù)荷保護(hù)。遼陽500 kV變電站2號(hào)主變壓器為2004年日本TMT公司原裝進(jìn)口的三相一體式自耦變壓器，其主要參數(shù)：主變壓器型號(hào)為OSFPS-750000/500；主變壓器容量為750/750/240 MVA；主變壓器額定電壓為525/230/66 kV。主變壓器低壓側(cè)配置有1組60 Mvar低壓并聯(lián)電抗器和2組60 Mvar低壓并聯(lián)電容器。

《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》中已經(jīng)明確主變壓器高、中、低壓側(cè)以及公共繞組均應(yīng)配置過負(fù)荷保護(hù)功能，設(shè)置一段1時(shí)限，定值固定為本側(cè)額定電流的1.1倍，延時(shí)10 s，動(dòng)作于信號(hào)。

然而由于該主變壓器沒有將公共繞組套管分相引出，而是在主變壓器內(nèi)部將公共繞組三相并聯(lián)后以零序套管的形式引出，無法由保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)公共繞組過負(fù)荷保護(hù)功能。最簡(jiǎn)單的解決辦法是由主變壓器高壓側(cè)或中壓側(cè)過負(fù)荷保護(hù)代替公共繞組過負(fù)荷保護(hù)，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)的前提條件是在公共繞組過負(fù)荷之前，高、中壓側(cè)過負(fù)荷保護(hù)能夠先發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然而事實(shí)并非如此，下面予以說明。

計(jì)算條件為主變壓器高壓側(cè)滿載運(yùn)行，主變壓器低壓側(cè)按照投入最大無功容量考慮，即2組60 Mvar低壓并聯(lián)電容器運(yùn)行，1組60 Mvar并聯(lián)電抗器停運(yùn)方式。主變壓器高、中壓側(cè)功率因數(shù)取0.95。

變壓器公共繞組的額定容量為420 MVA，將變壓器參數(shù)代入式(5)，計(jì)算出公共繞組實(shí)際負(fù)荷為470 MVA，過負(fù)荷倍數(shù)已達(dá)到1.12，高于公共繞組過負(fù)荷保護(hù)整定值，而此時(shí)主變壓器高壓側(cè)處于額定容量下運(yùn)行，中壓側(cè)實(shí)際負(fù)荷為759 MVA，僅過負(fù)荷1.01倍，高、中壓側(cè)均不會(huì)發(fā)出過負(fù)荷報(bào)警信號(hào)。因此，高、中壓側(cè)過負(fù)荷保護(hù)功能不能夠替代公共繞組的過負(fù)荷保護(hù)功能，必須尋找其他解決方案。

2 基于SCADA的簡(jiǎn)化算式

SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))已經(jīng)普遍應(yīng)用于各電壓等級(jí)變電站，其完備的數(shù)據(jù)采集功能和用戶自定義功能為數(shù)據(jù)的二次加工提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。SCADA一般會(huì)提供合成公式編輯器，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單加、減、乘、除以及平方、開方運(yùn)算，通過植入函數(shù)算式，并建立與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變量的映射關(guān)系，即可通過運(yùn)算實(shí)現(xiàn)虛擬變量值。

根據(jù)前文所述，式(5)已經(jīng)是可以利用SCADA合成公式編輯器進(jìn)行計(jì)算的簡(jiǎn)單代數(shù)運(yùn)算式，但考慮到主變壓器過負(fù)荷整定值一般采用電流值，而不直接使用容量值，因此需要對(duì)式(5)進(jìn)一步參數(shù)變換，忽略勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和損耗，根據(jù)能量守恒定律

P1+P2+P3=0

(6)

Q1+Q2+Q3=0

(7)

根據(jù)有功功率和無功功率的定義

P=UIcosφ

(8)

Q=UIsinφ

(9)

將式(1)、(6)、(7)、(8)、(9)代入式(5)，得到公共繞組電流Icom、主變高壓側(cè)電流I1、主變中壓側(cè)電流I2的函數(shù)關(guān)系式

(10)

利用合成公式編輯器將式(10)植入SCADA，通過訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的I1、I2和功率因數(shù)角，即可方便快捷地計(jì)算出公共繞組電流Icom，設(shè)定門檻電流值后，當(dāng)公共繞組電流Icom大于門檻電流值時(shí)，SCADA發(fā)告警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)自耦變壓器公共繞組過負(fù)荷保護(hù)告警的功能。

3 結(jié)束語

通過對(duì)自耦變壓器的分析，三繞組自耦變壓器公共繞組負(fù)荷電流計(jì)算公式如式(10)所示，該算式已經(jīng)成功應(yīng)用在遼陽500 kV變電站2號(hào)主變保護(hù)改造工程中，由南京南瑞繼保電氣有限公司按照本算式對(duì)SCADA進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了主變壓器公共繞組過負(fù)荷的在線實(shí)時(shí)計(jì)算，數(shù)據(jù)越線時(shí)即發(fā)報(bào)警信號(hào)，為公共繞組不具備電流互感器的自耦變壓器過負(fù)荷保護(hù)提供了工程解決方案。

[1] 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程：GB/T 14285—2006 [S].

[2] Technical code for relaying protection and security automatic equipment: GB/T 14285—2006[S].

[3] 侯有韜，張麗麗. 500 kV變電站自耦變壓器公共繞組運(yùn)行工況分析 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007,26(11)：43-45.

[4] HOU You-tao,ZHANG Li-li.Analysis of autotransformer common winding operational conditions in 500 kV substations[J].Electric Power Automation Equipment, 2006,26(11):43-45.

[5] 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[6] Electric power planning & engineering institute.Electric power system design manual[M].Beijing:China Electric Power Press,1998.

Overload Protection of Autotransformer Common Winding Based on SCADA

DOU Zilin1,JIANG Baichao2

(1.Northeast Branch of State Grid Corporation of China,Shenyang,Liaoning 110180,China； 2.China Energy Engineering Group Liaoning Electric Power Survey & Design Institute Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110179,China)

This paper is based on the research of a SCADA equation, which is used for on-line real time calculation and alarm of autotransformer common winding overload. A solution is provided for autotransformer without common winding current transformer.

autotransformer;autotransformer common winding; overload protection

TM411+.3

A

1004-7913(2017)09-0004-03

竇姿麟(1990)，女，碩士，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度。

2017-05-15)

數(shù)值、符號(hào)間保留一定間隙的規(guī)定

(1)為使多位數(shù)字便于閱讀，可將數(shù)字分成組，從小數(shù)點(diǎn)起，向左左向各每3位分成一組，組間留適空隙；但不得用逗號(hào)、圓點(diǎn)或其他方式分隔。

(2)年份、負(fù)數(shù)、部隊(duì)番號(hào)、儀表型號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)號(hào)等待定數(shù)不用3位分節(jié)法。

(3)表示量值時(shí)，單位符號(hào)應(yīng)當(dāng)置于數(shù)值之后，數(shù)值與單位符號(hào)間留一空隙。

(4)排版中需要調(diào)整字體間間隙、整理版面時(shí)，對(duì)于數(shù)值間的應(yīng)有間隙不得變化。

摘自《量和單位的使用原則及方法》